近日，中科院化学所李永舫院士课题组与郑州大学孙晨凯老师课题组合作采用三元共混策略，利用低成本聚合物给体 PTQ10 和 A-DA'D-A 类小分子受体 (m-TEH)，以及新型 A-DA'D-A 类小分子受体 (具有苯基外侧链，m-PEH)作为第三组分，构筑了低成本、高性能的聚合物太阳能电池。得益于给/受体间良好的相容性和电荷传输能力的改善，基于PTQ10:m-TEH:m-PEH（1.0:0.9:0.3，w/w/w）的三元聚合物太阳能电池获得了19.34%的光电能量转换效率，是迄今为止所报道的聚合物太阳能电池的最高效率之一。更重要的是，该三元聚合物太阳能电池对活性层膜厚表现出优异耐受性，厚度达 300 nm 的器件其光电能量转换效率仍高达 18.02%。上述结果表明，基于PTQ10∶m-TEH∶m-PEH的三元器件具有低成本、高性能和膜厚不敏感的三重优势，在未来大面积制备和商业应用中具有广阔的前景。

背景介绍：

可溶液加工的聚合物太阳能电池（PSCs）具有轻、薄、柔以及可以制备成半透明器件等突出优点，使得其在太阳能电池的大规模商业应用中具有很强的竞争力。时至今日，得益于有机光伏材料和器件工程的蓬勃发展，PSCs的光电转换效率（PCE）已达到商业化应用的门槛，但是为了满足大规模生产的需求、加快商业化应用的进程，尚有工业生产方面的问题亟待解决。

首先，要实现PSCs组件的大规模生产必须尽可能地降低有机光伏材料的成本。目前所报道的大多数高性能PSCs都基于宽带隙的聚合物给体和窄带隙的A-DA'D-A类小分子受体（SMAs）。由于高效聚合物给体存在合成步骤较为繁琐、提纯过程复杂、产量较低和批次间存在性能差异等问题导致其制造成本要显著高于SMAs。2018年，中国科学院化学研究所有机固体院重点实验室李永舫院士课题组开发了一种结构简单的D-A共聚物给体光伏材料PTQ10 (分子结构如图1a所示)。使用Y6为受体、基于PTQ10的PSCs其PCE达到16.53%，表明PTQ10兼具低成本和高性能的双重优势。因此，合理设计与聚合物给体PTQ10相匹配的A-DA'D-A类SMAs是进一步提升低成本光伏材料光伏性能的有效途径。另外，大规模制造有机光伏组件时所使用的制备工艺与实验室不同，多采用卷对卷印刷、刮涂、狭缝涂布等制备方式，其活性层的厚度与旋涂法相比有明显的增加。然而，大多数有机光伏材料其活性层的最优厚度在100-150 nm左右，当活性层的厚度增加后器件的光伏性能会显著下降。因此，如何在厚膜状态下保持活性层的最佳形貌、构筑活性层厚度不敏感的器件是有机光伏组件在实现大规模生产时所面临的另一个重大挑战。

2022年，他们设计合成了带有噻吩外侧链的新型A-DA’D-A类小分子受体材料T2EH，基于PTQ10：T2EH的二元聚合物太阳能电池的能量转换效率达到了 18.55%。与之相对比的带有苯环外侧链的A-DA’D-A类小分子受体P2EH在与PTQ10共混后所制备的聚合物太阳能电池其能量转换效率为17.50%，这样的实验结果证实了低成本聚合物给体PTQ10与带有噻吩外侧链的A-DA’D-A类小分子受体的匹配度更高。

图1.（a）聚合物给体PTQ10和小分子受体m-TEH、m-PEH的分子结构；（b）给体和受体薄膜的归一化紫外-可见吸收光谱；（c）给体和受体的能级分布图；（d）PSCs的器件结构。

本文亮点：

最近，在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，李永舫院士课题组和郑州大学化学学院孙晨凯老师课题组合作，通过将P2EH的内侧链由2-乙基己基延长至2-丁基辛基合理的设计并合成了新的受体材料m-PEH（分子结构如图1a所示），采用三元共混的策略把m-PEH作为第三组分加入到PTQ10:m-TEH的二元体系中构筑了低成本、高性能的聚合物太阳能电池。得益于 PTQ10 与两种 SMAs 之间良好的相容性和独特的能级排列，三元体系显示出良好的相分离和主导的正面取向，表现出合适的薄膜形态和增强的电荷传输。基于 PTQ10∶m-TEH∶m-PEH（1.0:0.9:0.3，w/w/w）优化的三元聚合物太阳能电池获得了19.34%的光电能量转换效率（光伏特性见图2），这是迄今为止所报道的聚合物太阳能电池的最高效率之一。

图2.（a） 基于PTQ10:SMAs的最优器件在AM1.5G、100 mW cm-2的光照下的J-V曲线；（b）相应器件的EQE曲线

基于PTQ10:m-TEH:m-PEH的三元体系表现出优异的活性层膜厚不敏感特性，当活性层厚度在120-150 nm范围内变化时器件能够保持19%以上的PCE，当活性层厚度达到303 nm时仍能保持76.56%的填充因子和18%以上的光电转换效率，这是目前为止所报道活性层厚度超过300 nm器件的最高效率（光伏性能与活性层厚度的关系见图3）。由此可见，基于PTQ10:m-TEH:m-PEH的三元体系具有低成本、高性能和膜厚不敏感的三重优势，很大程度上满足了有机光伏组件在采用卷对卷印刷、刮涂和狭缝涂布等大规模生产方式时的工艺要求，在未来商业化应用的PSCs中具有十分广阔的应用前景和极其重要的市场价值。

图3.基于PTQ10:m-TEH:m-PEH的三元聚合物太阳能电池的（a）Voc和Jsc、（b）FF 和PCE与活性层厚度关系图；（c）不同活性层厚度的最优器件在AM1.5G、100 mW cm-2光照下的J-V曲线；（d）、（g）120 nm和（e）、（h）303 nm三元共混膜的fs-TA光谱；厚度为120 nm（黑色）和303 nm（红色）的三元共混膜在（f）606 nm处和（i）840 nm处探测到动力学轨迹.

总结与展望：

综上所述，该研究利用低成本聚合物 PTQ10 作为给体，m-TEH 和m-PEH这两种结构相似的SMAs作为受体，制备了二元和三元聚合物太阳能电池。基于 PTQ10: m-TEH 的二元器件表现出很高的 PCE，为 18.47%。而通过将m-PEH 作为第二受体加入 PTQ10:m-TEH 主体系中，含有 25% m-PEH 的三元器件的 PCE进一步提高至19.34%，是迄今为止单结 PSCs 报告的最高效率之一。这种优异的光伏性能得益于 PTQ10 与两个 SMAs 之间良好的兼容性、独特的能级匹配、良好的相分离以及显著增强的电荷迁移率。更为重要的是，该三元器件对活性层厚度不敏感，活性层厚度为 303 nm 的器件，PCE也可达18.02%，这是迄今为止报道的活性层厚度超过 300 nm聚合物太阳能电池的最高效率。上述结果进一步证实PTQ10是一种极具前景的光伏供体材料，具有低成本和高光伏性能，可以推动聚合物太阳能电池的商业应用向前发展。

相关成果以Research Article的形式发表在CCS Chemistry。第一作者是博士生孔晓磊，通讯作者为孟磊研究员、孙晨凯副教授、李骁骏副研究员以及李永舫院士。

文章详情：

Low-Cost and High-Performance Polymer Solar Cells with Efficiency Insensitive to Active-Layer Thickness

Xiaolei Kong, Jinyuan Zhang, Lei Meng*, Chenkai Sun*, Xin Jiang, Jianqi Zhang, Can Zhu, Guangpei Sun, Jing Li, Xiaojun Li*, Zhixiang Wei and Yongfang Li*

Cite this by DOI：10.31635/ccschem.023.202302720

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202302720

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